壓縮機管道環焊縫縱向裂紋案例分析

李亞軍，王正云，金一標，馬俊文，楊雪倩

(1.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川 成都 610100；2.西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000；4.成都凌越物流有限公司，四川 成都 610500)

天然氣作為清潔能源，在世界一次能源結構中所占的比例將逐漸增加，2020年天然氣所占比例在30%左右，預計到2030～2040年，其可能將超過石油成為世界第一大能源[1-2]。作為輸送天然氣管道的“心臟”壓縮機，將天然氣輸送到千家萬戶起到了關鍵性作用。

焊接作為壓縮機管道制造安裝的重要環節，焊接質量的好壞直接決定著壓縮機機組的正常運行，尤其是焊接母材、焊接材料、焊接工藝和焊接人員的選擇對焊接質量影響至關重要[3-8]。管道環焊縫失效涉及到工況條件、管材、焊接材料、焊接人員和焊接工藝等多方面因素，本文分析了某往復式天然氣壓縮機管道環焊縫失效的原因，以期對天然氣管道焊縫失效分析提供參考和借鑒。

1 環焊縫裂紋概況

某往復式天然氣壓縮機管道焊口編號44的環焊縫是由20鋼鋼管與彎頭對接焊接而成，該焊口規格尺寸為Φ140 mm×11 mm。焊接工藝規程要求20鋼焊接采用某焊材廠Φ2.4 mm的ER50-G焊絲TIG打底，Φ3.2 mm的E4315焊條填充，ER50-G焊絲TIG蓋面。焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數

該焊縫焊接完成后按NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》[9]進行100%RT檢測發現焊縫存在縱向裂紋。采用碳弧氣刨對焊縫打磨后，檢測裂紋長度約為80 mm，如圖1所示。將此裂紋的焊縫兩端割掉，在線切割截取40 mm×40 mm的試樣，發現截取的試樣焊縫橫截面裂紋由彎頭根部由內向外擴展，如圖2所示。

圖1 焊縫表面碳弧氣刨后的裂紋

圖2 焊縫截面裂紋

2 焊縫裂紋原因分析

該壓縮機項目經理組織焊接工程師、現場監理、無損檢測人員對此焊接裂紋進行現場討論分析和研究。因44號焊口是由代號為G的焊工焊接，該焊工持證項目為GTAW-FeII-6G-8/60-FefS-02/11/12和SMAW-FeⅡ-6G-12/48-Fef3J ，符合TSG Z6002要求；另該焊工焊接技能比較高，組對時無強力組對現象，采用對稱焊接，因此排除焊工焊接技能的問題。最終初步認為造成裂紋的原因有以下3點：(1)管線吊裝過程中是否存在暴力吊裝；(2)焊接材料是否符合焊接工藝規程要求；(3)焊接母材是否領用正確。

2.1 管線吊裝

管線焊縫組對后，從機組上面吊裝到焊接車間進行焊接。因該根管線長度約7 m，兩端帶有法蘭，拆裝起吊后應該緩慢輕放，如圖3所示。管線焊口組對連接處結合強度相對較為薄弱，若是暴力吊裝，管線受到的外力大于組對連接處的屈服強度會發生塑性變形，且組對的焊縫兩端應力集中，容易造成裂紋源而擴展；若外力大于組對連接處的抗拉強度，則會直接造成裂紋。

圖3 含裂紋的管道

2.2 焊材化學成分

在焊縫上截取40 mm×40 mm試樣，焊縫外表面銑磨掉2 mm后，對其試樣進行焊縫化學成分光譜分析，結果如表2所示。焊條各元素成分符合NB/T 47018.2—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件 第2部分:鋼焊條》[10]要求。對所使用的ER50-G焊絲對應批次進行化學成分分析，結果如表3所示。從表3中可以看出，焊絲化學成分符合雙方規定的協議值。因此可知所用的焊絲和焊條是正確的。

表2 焊條化學成分 單位：%

表3 焊絲化學成分 單位：%

2.3 鋼管和彎頭化學成分

鋼管和彎頭各截取40 mm×40 mm試樣，銑磨表面后對其進行化學成分進行光譜分析，結果如表4所示。20鋼鋼管化學成分符合GB/T 6479—2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》[11]的規定，可知鋼管是正確的；彎頭化學成分不符合GB/T 6479—2013中20鋼的規定。按照國際焊接協會的碳當量Ceq公式(1)計算，鋼管碳當量為0.29，可焊性較好，一般不會出現裂紋；彎頭碳當量為0.80，碳當量很高，導致在熔合區和過熱區出現淬硬的馬氏體組織，降低了該區域塑性和韌性，在冷卻過程中出現了裂紋。

表4 鋼管和彎頭化學成分 單位：%

(1)

根據該彎頭化學成分分析，初步判定材質為50Cr。50Cr化學成分(質量分數，%)要求值C:0.47～0.54，Mn:0.50～0.80，Si:0.17～0.37，P≤0.030，S≤0.030，Ni≤0.30，Cr:0.80～1.10，Mo≤0.10，Cu≤0.30。因此，焊接裂紋產生的原因是由于供貨方提供的20鋼彎頭中混入了材質為50Cr的彎頭，出現異種鋼材焊接；因50Cr在焊接過程中可焊性很差，出現淬硬馬氏體組織，在焊接應力作用下出現裂紋，從而造成焊縫裂紋由彎頭根部由內向外擴展。

3 現場問題整改

該壓縮機項目組對彎頭混料問題進行了整體更改，采用手持式金屬化學成分檢測儀對該批次所有彎頭進行檢查，發現還有2件彎頭成分不是20鋼，而為50Cr。對含有裂紋的管道，在焊接檢驗師的監督下，重新領取20鋼彎頭進行焊接。按表1焊接工藝參數進行焊接，焊接完成后按NB/T 47013—2015進行100%RT檢驗，焊縫都不低于II級要求，符合GB/T 20801—2020《壓力管道規范 工業管道》[12]的要求。

4 結語

根據GB/T 12459—2017《鋼制對焊管件 類型與參數》[13]規定，管件的化學成分檢驗為每爐批取1個試樣。供貨方在生產制造吊裝過程中，人為因素將50Cr材質彎頭混入到20鋼彎頭中。因此，本次混料公司檢驗員未能在入庫檢驗環節發現，是由于受到檢驗要求、檢測設備和手段的限制，彎頭材質混料缺陷這一問題往往在現場管理中容易被忽視，一般僅通過供貨方附的材料質量證明書和彎頭標識確認。在實際制造安裝過程中，由于混料造成材質不符，這類問題極其罕見，也常常容易被忽略掉。

該類事件也暴露了壓縮機生產制造質量管理中存在的盲區，特別是原材料入場檢驗環節，因現有條件限制而出現檢驗漏洞，應當在今后的管理工作中格外引起重視?？梢圆捎檬殖质浇饘倩瘜W成分檢測儀等先進設備對原材料進行快速初步檢驗，來判定材質是否與材料質量證明書相符，以此來加強管材、法蘭、彎頭、三通的入場檢驗。

另外，該事件也體現了嚴格按照焊接工藝規程和焊接工藝評定要求進行生產制造的重要性。任何焊接相關條件的改變都可能會影響到焊接的可靠性和穩定性，造成嚴重的焊接質量問題，甚至影響壓縮機機組的正常安全運行。